1、P.S 測井技術(shù)的工程應(yīng)用 - 結(jié)構(gòu)理論概況P.S測井又稱彈性波速度測井，它是地震勘探方法之一，也是地球物 理測井技術(shù)的一個重要分支， 目前已廣泛應(yīng)用于水利水電工程、 石油 工程、鐵路工程、 冶金工程、工業(yè)與民用建筑等眾多巖土工程地質(zhì)勘 察領(lǐng)域，取得了良好的應(yīng)用效果。 一般來說，P.S測井可原位測定壓縮波 (Pressure Wave)和剪切波(Shear Wave)在巖(土)體中的傳播速度，從而避免了室內(nèi)測試所帶來的誤差， 它能有效地解決許多地質(zhì)問題， 諸如確定場地土類型、 建筑場地類別； 提供斷層破碎帶、地層厚度、固結(jié)特性和軟硬程度、評價巖 (土)體質(zhì) 量等；并可計算工程動力學(xué)參數(shù)，如動剪

2、切模量、動彈性模量等。本 文介紹了 P.S測井的工作原理和野外測試方法，并結(jié)合工程實例，說 明其應(yīng)用效果。不妥之處，請批評指正。2 工作原理以巖 （土 ）體的彈性特征為基礎(chǔ)，通過測定不同巖（土 ）層的剪切波 （S波 ）、壓縮波 （P 波）的傳播速度，計算巖 （土）體的動彈性參數(shù)，據(jù)此判定巖（土）體的工程性質(zhì)，為工程設(shè)計提供可靠的科學(xué)依據(jù)。 實測一般采用單孔檢層法， 即地面激發(fā)以產(chǎn)生彈性波， 孔內(nèi)由檢波器 接收彈性波。當?shù)孛嬲鹪床捎眠蛋鍟r可正反向激發(fā)，并產(chǎn)生剪切波 （S 波），利用剪切波震相差 1800的特性來識別 S波的初至?xí)r間。圖 1 為 正反向激發(fā)時由地震儀記錄的實測波形圖。3 測試方法實

3、測通常由震源和記錄儀器組成， 震源設(shè)置一般距孔口 24m，平放 一塊壓重物的木板， 測試孔應(yīng)位于木板長軸的中垂線上， 使木板與地 面緊密接觸。木板長 2.5 3.0m，寬 0.3 0.4m，厚 0.06 0.10m，上 壓約 5001000kg 的重物。當分別水平敲擊木板兩端時， 產(chǎn)生彈性波(此時以 S波為主 )。記錄儀器由井中三分量檢波器和工程地震儀構(gòu)成，三分量檢波器放置井中某一深度， 接收由震源產(chǎn)生的彈性波信號， 并 通過連接電纜輸送給地震儀， 再由地震儀記錄并存儲以備后期數(shù)據(jù)處 理之用，圖 2 為單孔檢層法測試示意圖。單孔檢層法測試彈性波時， 由于震源板離孔口尚有一定距離， 所以計算測段

4、內(nèi)地層波速時需將彈性波的非縱測線旅行時校正為縱測 線旅行時，計算公式如下：式中： t' 縱測線旅行時 (s); t非縱測線旅行時 (s);h測點孔深 (m)； x 震源板距孔口的距離 (m)。由校正后的縱測線旅行時求得各測試地層的彈性波速， 進而可根據(jù)剪 切波速 Vs和壓縮波速 Vp 計算巖(土)層的動彈性參數(shù)。計算公式如下：Ed=2 Vp2(1+) (4)Gd= Vs2 (5)式中： 介質(zhì)密度(g/cm3)； Vp壓縮波速度 (m/s)； Vs剪切波速度 (m/s)； 泊松比Ed動彈性模量 (GPa)； Gd動剪切模量 (GPa)； 實測過程中應(yīng)注意以下特征：(1) 壓縮波傳播速度較

5、剪切波速度快，壓縮波為初至波；(2) 震源板兩端分別作水平激發(fā)時，剪切波相位反向，而壓縮波相位 不變；(3) 檢波器下孔一定深度后，壓縮波波幅變小，頻率變高，而剪切波 幅度大，頻率低。(4) 最小測試深度應(yīng)大于震源板至孔口之間的距離，以避免淺部高速 地層界面可能造成的折射波影響。4 工程實例實例 天津院綜合樓場地評價根據(jù)任務(wù)要求，用單孔檢層法對建筑場地內(nèi)一深 30m 的鉆孔，進行 了剪切波測試。檢測結(jié)果見表 1。表 1 剪切波測試成果表地層編號地層代號巖性簡述剪切波速Vs(m/s)備注Qml素填土：粉質(zhì)粘土為主，頂部夾有少量碎磚塊及灰渣。層厚約 2.0m116.5人工填土層Qh3粉質(zhì)粘土夾少量

6、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。層厚 3.0m。167.7第一陸相層Qh2-3粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土、粘土。層厚 3.0m。 186.3第一海相層Qh2-2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土。層厚 3.5m。 177.3Qh2-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土、粉砂等。層厚 3.0m.113.8Qh1-3粉質(zhì)粘土夾砂質(zhì)粉土、粘質(zhì)粉土、粘土。層厚 4.5m。245.8 第二陸相層Qh1-2粉砂夾薄層狀粉質(zhì)粘土、粘土、粘質(zhì)粉土。層厚 3.6m。235.9Qh1-1粉質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土、細砂。層頂埋深 22.6m，層厚大于 7.4m。228.5(1) 場地類別劃分 a.平均波速法：勘察分析

7、表明本區(qū)地層為中軟場地土，且覆蓋層厚度 大于 60m。由表 1中各層 Vs值，對深度 30m范圍以內(nèi)各地層平均的Vs 值進行厚度加權(quán)平均后得 196.8m/s，參照文獻 (1)(P14 頁表 知該區(qū)場地類別屬類。b.卓越周期法：卓越周期 T 可按下式計算，即： 式中：hi第i層土的厚度(m)； Vsi第i層土的剪切波速 (m/s)；n土層數(shù)；由表 1中各地層的 Vsi值計算得： T=0.653(s)，參照文獻 (2)(P47頁表 知該區(qū)場地類別屬類。由此可見該綜合樓場地類別應(yīng)屬于類， 以此為依據(jù)進行地基處理和 結(jié)構(gòu)設(shè)計。(2) 地基土液化判別：按公式 (7)計算地層的臨界剪切波速 (Vscr)

8、 ，當 實測地層剪切波速小于 Vscr 時該地層被判為液化，否則為不液化。 式中： d剪切波測點深度 (m)； Kv系數(shù)，本區(qū)地震基本烈度為 度，則取 42。計算結(jié)果表明，在深度 12.0 15.0m范圍內(nèi) (即海相層中 Qh2-1)的淤 泥質(zhì)粉土夾粉砂層 Vs<Vscr，即判定為液化層。實例 2 正義峽輸水干渠基礎(chǔ)評價 正義峽輸水干渠地處甘肅省酒泉地區(qū)金塔縣境內(nèi)， 輸水干渠自大墩門 引水樞紐 (渠首 )取水，經(jīng)金塔縣芨芨鄉(xiāng)、鼎新鎮(zhèn)和雙城子鄉(xiāng)以及東風 場區(qū)內(nèi)的荒漠、戈壁灘，向內(nèi)蒙古自治區(qū)的額濟納旗平原供水，線路 全長約 96.058Km。干渠設(shè)計流量 55m3/s；加大流量 60m3/s

9、。渠道設(shè) 計縱坡 1/10001/2000，邊坡 1：1.75，底寬 36m，設(shè)計水深 2.27 3.28m，設(shè)計流速 1.922.43m/s，一般為明挖梯形混凝土預(yù)制板襯砌 斷面。渠基多由第四系中、 上更新統(tǒng)沖洪積松散堆積物組成， 巖性為含礫砂、 砂、含礫砂壤土、壤土、粘土等。其中含礫砂、砂廣泛分布于干渠沿 線各段，且在干渠 0+0000+080及 77+50095+803渠段厚度較小， 一般為 3 6m，其余地段厚度均較大， 一般多大于 20m。砂以細砂為 主，夾有呈透鏡體狀分布的粗砂、中砂及極細砂等，礫石多為細礫， 含量多小于 5%，磨圓度較好。另外在該層中還夾有壤土、粘土等粘 性土層，

10、多呈透鏡體展布，厚度多小于 1.0m；含礫砂壤土，分布于 含礫砂、砂層之下，在干渠 50+20069+500 渠段揭露，埋深 510m， 厚度大于 10m，礫石多為細礫，含量小于 5%，土為砂壤土。 沿線地下水位在干渠上游段埋藏較深， 一般大于 10m（局部因地勢低 洼地下水位埋深約 58m）；中游段埋深較淺，一般小于 2 3m；下 游段埋藏深度居中，一般為 47m。同時，地下水位的動態(tài)變化受黑 河河水的豐枯、田間回灌水的多少和人工開采量的大小等因素的控制 較為顯著。沿渠線實施剪切波測試的鉆孔共 17 個，所測鉆孔均分布于渠道中心 線上。測試對象均為第四系中、上更新統(tǒng)沖洪積松散堆積物，其巖性

11、主要為中細砂或含礫中細砂， 其次為含礫粗砂等； 其層間夾有薄層砂 礫石、砂壤土、粉質(zhì)壤土等。從實測結(jié)果來看具有以下規(guī)律：地表以 下地層隨深度的增加其剪切波速和動剪切模量等動彈性參數(shù)逐漸增 大。在測試深度內(nèi)具體可劃分為三個速度帶，即深度 05m 范圍內(nèi) 地層剪切波速一般為 190 240m/s，動剪切模量一般為 0.057 0.096GPa；深度 510m 范圍內(nèi)地層剪切波速一般為 250 300m/s， 動剪切模量一般為 0.1030.143GPa；深度 1015m 的第四系中細砂、 中粗砂層的剪切波速一般為 300 450m/s，動剪切模量一般為 0.1430.320GPa。按照建筑抗震設(shè)計規(guī)范 (GBJ 1189)規(guī)定，場地土類型宜根據(jù)土 層剪切波速 Vs 依表 2標準劃分。表 2 場地土類型劃分類別巖土名稱和性狀平均剪切波速 (m/s)堅硬場地土穩(wěn)定巖石，密實的碎石土Vs>500中硬場地土密實、中密的礫、粗、中砂500 V>s 250中軟場地土稍密的礫、粗、中砂250 V>s 150軟弱場地土淤泥質(zhì)土、松散的砂Vs<140由此可知，該輸水干渠渠基深度 0 5m 范圍內(nèi)地層 (含礫砂、砂等 ) 屬于中軟場地土；深度 510m 范圍內(nèi)地層 (含礫砂、砂等 )屬于中硬 場地土；深度 1015m 的第四系中細砂、中粗砂地層也屬于中硬場 地土。5 結(jié)語彈性波